向澤君，薛梅

(重慶市勘測院，重慶 400020)

基于DirectX的三維地理信息引擎設(shè)計與實現(xiàn)

向澤君?，薛梅

(重慶市勘測院，重慶 400020)

通過分析國內(nèi)外三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀，提出了基于DirectX實現(xiàn)三維地理信息引擎的架構(gòu)設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上自主開發(fā)了三維地理信息引擎Spatial3D，并成功應(yīng)用于沙盤展示、應(yīng)急演練、GPS跟蹤等多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

三維地理信息系統(tǒng)；DirectX；3DGIS

1 前 言

近年來，隨著三維可視化技術(shù)取得突破性進(jìn)展以及計算機(jī)硬件效率的大幅度提升，三維地理信息系統(tǒng)(3DGIS)逐漸走入人們視野，并成為地理信息業(yè)發(fā)展的新方向，在規(guī)劃、水利、應(yīng)急等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越多的作用。國內(nèi)外地理信息平臺商紛紛推出了各種商用三維地理信息平臺，這些商用三維地理信息平臺普遍具有價格高昂、擴(kuò)展不易的問題，阻礙了三維地理信息系統(tǒng)在中小型應(yīng)用中的推廣。

本文通過分析國內(nèi)外三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀，提出了基于DirectX的三維地理信息引擎的架構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了可擴(kuò)展、易配置的自主三維地理信息引擎Spatial3D，成功應(yīng)用于沙盤展示、應(yīng)急演練、GPS等多個領(lǐng)域。

2 國內(nèi)外三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀[2]

由于三維建模和繪制技術(shù)突破，現(xiàn)有的國內(nèi)外三維地理信息技術(shù)相對比較成熟，主要包括商用和開源兩大類。

代表性的商用三維地理信息平臺為Skyline和ArcGlobe。Skyline是美國Skyline公司為網(wǎng)絡(luò)運營三維地理信息提供的企業(yè)級解決方案，給客戶提供一站式服務(wù)，并開放了所有的接口。ArcGlobe是ESRI公司開發(fā)的ArcGIS產(chǎn)品系列之一，它使用標(biāo)準(zhǔn)的ArcGIS數(shù)據(jù)源和圖層，提供了海量地理數(shù)據(jù)的交互式可視化，允許全球數(shù)據(jù)、本地數(shù)據(jù)和街道級數(shù)據(jù)間的無縫過渡。和Skyline相比，ArcGlobe的顯示效果有所不及，其主要長處在于強大后臺空間分析功能。

開源三維地理信息平臺中最具代表性的是World Wind。它是NASA(美國國家航空與航天管理局)發(fā)布的開源軟件，通過可視化的地球儀，將NASA、USGS(美國地質(zhì)局)以及其他WMS(基于網(wǎng)絡(luò)的地圖服務(wù))服務(wù)商提供的圖像通過一個三維的地球模型展現(xiàn)。軟件用C＃編寫，調(diào)用微軟的SQL Server影像庫來進(jìn)行全球地形三維顯示。目前，包括國內(nèi)部分三維GIS軟件在內(nèi)的全球許多主流三維軟件都是以WorldWind為技術(shù)內(nèi)核發(fā)展而來。

3 三維地理信息引擎總體設(shè)計

3.1 總體目標(biāo)

由于人力和投入限制，在規(guī)模上，自主三維地理信息引擎不能和商用三維地理信息平臺相比，但具備成本低廉、應(yīng)用靈活的特點。自主三維地理信息引擎應(yīng)實現(xiàn)以下目標(biāo):

(1)低硬件配置:不需要獨立顯卡支撐，在普通臺式機(jī)或筆記本上也能瀏覽；

(2)低平臺依賴:在最小應(yīng)用情況下，不依賴任何第三方地理信息系統(tǒng)平臺，節(jié)約成本；

(3)高配置性:使用外部配置的方式，可在很短時間內(nèi)裝配出適用于不同區(qū)域的三維沙盤；

(4)高擴(kuò)展性:提供良好的插件機(jī)制，讓核心研發(fā)人員之外的技術(shù)人員擴(kuò)展引擎功能，如GPS跟蹤、視頻監(jiān)控、空間搜索等；

(5)高標(biāo)準(zhǔn)性:支持通用數(shù)據(jù)格式，并可擴(kuò)展這些輸入。例如Shape文件、GeoDatabase等。

3.2 架構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過大量論證[1，3，5]，自主三維地理信息引擎(Spatial3D)架構(gòu)主要包括基礎(chǔ)程序集、場景繪制程序集、數(shù)據(jù)加載程序集、場景管理程序集、界面程序集五個部分，其中場景繪制程序集和數(shù)據(jù)加載程序集是可以提供給二次開發(fā)者擴(kuò)展的(如圖1)。

圖1 Spatial3D引擎架構(gòu)圖

各程序集主要作用如下:

(1)基礎(chǔ)程序集。此部分是Spatial3D的基礎(chǔ)，提供配置結(jié)構(gòu)定義、基礎(chǔ)空間模型定義、界面模型定義、三維要素模型定義、公共結(jié)構(gòu)定義、公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法實現(xiàn)等內(nèi)容。

(2)數(shù)據(jù)加載程序集。依賴于基礎(chǔ)程序集，實現(xiàn)其中的數(shù)據(jù)加載接口。在Spatial3D中，每個圖層都配置了一個數(shù)據(jù)加載類，這為多數(shù)據(jù)源的程序部署提供了最大便利性。根據(jù)實際數(shù)據(jù)源格式，可對數(shù)據(jù)加載類進(jìn)行各種擴(kuò)充。考慮到軟件環(huán)境依賴性，還可將其拆分為不同的程序集。根據(jù)部署環(huán)境決定選用哪一個數(shù)據(jù)加載類。

(3)場景繪制程序集。此部分集中體現(xiàn)了對Direct3D技術(shù)的應(yīng)用，依賴于DirectX 9，是Spatial3D的核心。

(4)場景管理程序集:其中SceneManager起到工廠作用，它通過讀取配置，進(jìn)行場景的初始化以及各個圖層的組裝，并控制圖層加載、繪制及資源銷毀，保證非托管資源的有效釋放。同時對外提供地圖瀏覽、查詢等各種公用API接口。

(5)界面程序集:包括場景管理程序集基礎(chǔ)上封裝的用戶控件，使三維應(yīng)用變得更加簡單。

4 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)[4]

4.1 依賴倒置及可配置化

依賴倒置和可配置化是提高應(yīng)用程序擴(kuò)展性、伸縮性和配置性的主要方式?？紤]到不同的數(shù)據(jù)源及應(yīng)用場景，有必要分離數(shù)據(jù)加載，而場景繪制的聲明與實現(xiàn)，則通過配置進(jìn)行對象的創(chuàng)建和初始化。所有實現(xiàn)相關(guān)類都采用了無參數(shù)的構(gòu)造函數(shù)，通過設(shè)置屬性的方式進(jìn)行注入，通過顯示實現(xiàn)Idisposable接口進(jìn)行資源釋放。Spatial3D中所有動態(tài)信息都可以通過配置進(jìn)行定義。在配置節(jié)中主要的配置節(jié)點包括:

(1)場景采用的核心繪制程序集定義

(2)環(huán)境設(shè)置，包括攝影機(jī)、燈光、天空盒、霧、參考坐標(biāo)系

(3)圖層集合，每個圖層包括數(shù)據(jù)源、顯示樣式及數(shù)據(jù)加載類和場景繪制類名稱

(4)所有數(shù)據(jù)加載類

(5)所有場景繪制類

(6)菜單

(7)狀態(tài)欄

4.2 圖層加載多線程化

在三維場景中，常常包含多個圖層(地形、道路、建筑、地標(biāo)…)，如果采用單線程進(jìn)行順序的加載，用戶體驗將非常糟糕，如WorldWind采用單線程方式進(jìn)行加載和繪制，從進(jìn)入應(yīng)用系統(tǒng)到顯示場景，要等上數(shù)分鐘之久。

在Spatial3D中，場景管理器統(tǒng)一提供對外接口，包括導(dǎo)航、圖層管理和數(shù)據(jù)查詢定位，其中所有地物要素都是以圖層的方式進(jìn)行管理的，包含名稱、編碼、是否可見、最大最小顯示高度、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)加載類、場景繪制類、圖層的顯示樣式等。圖層加載和繪制過程中，當(dāng)一個圖層創(chuàng)建后，它需要首先創(chuàng)建對應(yīng)的加載和繪制類，由數(shù)據(jù)加載類進(jìn)行數(shù)據(jù)加載，然后再根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行場景繪制，該過程使用多線程技術(shù)，大大提高了數(shù)據(jù)加載和繪制速度，程序流暢、可操控性好。

4.3 界面設(shè)計定制化

Spatial3D參照成熟商用軟件界面要素，搭建了一套可擴(kuò)展、易配置的界面模型。將所有界面要素分為四種類型:菜單、側(cè)邊欄、狀態(tài)欄、對話框窗體。

圖2 Spatial3D界面構(gòu)成

菜單通常?？吭诮缑娴纳戏健２藛沃邪粋€或多個按鈕。用于響應(yīng)用戶的各種操作。側(cè)邊欄通常?？吭诮缑孀蠖耍Ｗ鳛椴僮髅姘迨褂?，例如圖層管理等。狀態(tài)欄通常停靠在界面下端，用于表現(xiàn)標(biāo)志、提供使用幫助以及記錄當(dāng)前位置等。對話框窗體通常浮動在界面中央，用于定位、查詢等相關(guān)操作，如圖2所示。

4.4 場景繪制技術(shù)擴(kuò)充化

不同的地物要素，所對應(yīng)的繪制方法也有所不同。在二維世界中同樣是線狀要素的管網(wǎng)和道路，在三維世界中有著很大的區(qū)別。例如道路不需要考慮管徑，而管網(wǎng)則必須考慮，它們算法的差異性是非常巨大的。Spatial3D為每種基礎(chǔ)地物要素編寫了單個的繪制算法，一個繪制算法代表一個場景繪制類。主要包括:

(1)簡單建筑物繪制

(2)地形繪制

(3)道路繪制

(4)三維地標(biāo)繪制

(5)3Dmax模型繪制

(6)GPS跟蹤及回放繪制

(7)統(tǒng)計繪制

圖3 主要繪制效果

隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，這些場景繪制類還可逐漸增加，出現(xiàn)管線繪制類、土地利用繪制類等多種繪制類。部分效果如圖3所示。

4.5 通用數(shù)據(jù)加載技術(shù)

Spatial3D默認(rèn)采用Shape文件格式讀取及其四叉樹的空間索引算法。Shape文件是已經(jīng)公開的格式，不需要依賴于任何地理信息平臺。同時，采用四叉樹空間索引算法，最快索引到某一范圍的空間數(shù)據(jù)，大大提高加載速度。

5 結(jié) 語

基于DirectX的自主三維地理信息引擎Spatial3D由于其低廉的成本和靈活的配置性，已經(jīng)體現(xiàn)出一定的商業(yè)價值，滿足了中小型項目應(yīng)用的需要。目前已驗證可運行的最低硬件環(huán)境為:處理器:Intel?Pentium?4 CPU 2.40GHZ，內(nèi)存:1.00 GB，顯卡:GeForce4 MX 440－8X(顯存64MB)，而運行的軟件環(huán)境為:WindowsXP Professional，.Net Framework 2.0，DirectX 9 Redist Pack。下一步，將繼續(xù)加強對場景繪制類的擴(kuò)充，使其更加廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

[1] Fletcher DunnParberryIan.3D Math Primer for Graphics and Game Development[M].Wordware Publishing，2005

[2] 吳軍，魚小剛，郭英.二維、三維GIS系統(tǒng)的結(jié)合研究與應(yīng)用[M].北京:數(shù)字石油和化工，2009

[3] 劉艷，馬勁松，張永玉.3DGIS中空間對象的存儲與快速查詢[J].測繪科學(xué)，2009，34(4):147～149

[4] 宇林軍，孫丹峰，李紅.基于緊密型二三維結(jié)合的GIS構(gòu)架與系統(tǒng)實現(xiàn)[J].地理與地理信息科學(xué)，2009，25(5): 17～20

[5] 蘇莉.三維GIS紋理坐標(biāo)數(shù)據(jù)管理方法的研究[J].科技信息，2009(5):125～127

Design AndImplementation of DirectX－based Three－demensial Geographic Information Engine

Xiang ZeJun，Xue Mei
(Chongqing Surveying Institute，Chongqing 400020，China)

By analyzing the domestic and international status of three－dimensional geographic information system technology，this paper propos architecture implemented by DirectX based on three－dimensional Geographic Information Engine，and self－developed three－dimensional Geographic Information Engine named Spatial3D，and successfully applied to sand table display，emergency drills，GPS tracking and other business areas.

Three－dimensional Geographic Information System；DirectX；3DGIS

1672－8262(2011)02－7－03

P208

A

2011—01—17

向澤君(1965—)，男，正高職高級工程師，主要從事水利工程勘察設(shè)計、城市勘測管理和技術(shù)研究、及數(shù)字城市建設(shè)研究。

重慶市信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項目(2009－009)